Dark Matter (Bagian 1): WIMP Sebagai Kandidat Dark Matter

Terdapat beberapa alasan yang menunjukan eksistensi Dark Matter. Alasan pertama adalah observasi gerak gugus bintang Coma di tahun 1930. Menurut hukum Newton, gerak suatu objek langit ditentukan oleh massa yang dikandungnya. Pengukuran gerak rotasi gugus bintang Coma menunjukan bahwa terdapat materi yang jauh lebih banyak disbanding yang terlihat oleh pengamatan.

Bukti kedua diperoleh dari pengukuran kecepatan bintang-bintang di galaksi Andromeda. Menggunakan hukum Kepler, kita dapat memprediksi kecepatan rotasi bintang terhadap pusat galaksi jika kita mengetahui massa galaksi di dalam garis edar bintang tersebut. Akan tetapi prediksi teoretik menggunakan hukum Kepler memberikan hasil yang cukup berbeda dengan pengukuran langsung.

Salah satu konsekuensi dari Teori Relativitas Umum Einstein adalah pembelokan cahaya akibat melengkungnya ruang-waktu di sekitar benda bermassa. Semakin besar massa yang dilewati, semakin besar pula sudut pembelokan cahaya yang melaluinya. Observasi yang dilakukan pada gugus galaksi yang jauh dari Bumi mengindikasikan bahwa posisi mereka mengalami pembelokan (deviasi) jauh lebih besar dibandingkan dengan sudut yang diperkirakan sebelumnya.

Fakta-fakta diatas menunjukan kehadiran suatu materi yang tidak memancarkan cahaya (foton), namun beinteraksi secara gravitasi dengan materi-materi normal (bintang, galaksi, gugus galaksi, dsb). Materi ini kemudian diberi nama materi gelap (Dark Matter) dan data terkini menunjukan bahwa dark matter memiliki jumlah lima kali lebih banyak dibandingkan materi normal (selanjutnya akan disebut partikel standard model). Banyak partikel hipotesis yang diajukan terkait jati diri dark matter seperti axion ataupun neutrino. Salah satu partikel yang cukup populer di kalangan ilmuwan adalah WIMP (Weakly Interacting Massive Particle). Penamaan weakly interacting terkait dengan karakteristik fisis partikel ini yang mirip dengan interaksi nuklir lemah. Pertanyaan selanjutnya adalah bagaimana cara mendeteksi WIMP?

Salah satu sifat WIMP adalah partikel ini mengalami anihilasi (penghancuran) menjadi neutrino atau anti materi dengan nilai energi sepuluh kali lebih lemah dibanding energi awal. Produk lain dari anihilasi WIMP adalah foton dengan nilai energi yang sama dengan energi WIMP semula. Kedua produk peluruhan WIMP ini memberikan beberapa cara untuk mendeteksinya:

• Detektor sinar kosmik PAMELA yang diletakkan diluar atmosfer bumi sejak Juni 2006. Salah satu tujuan PAMELA adalah mendeteksi positron (anti materi dari elektron) dengan energi 10 GeV. Jika dideteksi, penemuan ini dapat mendukung WIMP sebagai kandidat Dark Matter.

• Fermi Large Array Telescope, teleskop ruang angkasa berbasis sinar gamma. Sinar gamma adalah foton dengan rentang energi tinggi yang mencakupi energi sisa anihilasi WIMP. Target dari proyek ini adalah pusat galaksi bima sakti atau galasi satelit yang dipercaya mengandung banyak materi gelap.

• Teleskop Neutrino IceCube yang terletak di kutub selatan. Neutrino yang berasal dari matahari memiliki energi dengan rentang beberapa MeV. Target IceCube adalah menemukan neutrino dari arah matahari dengan energi seratus GeV yang dicurigai diakibatkan oleh WIMP.

Ketiga metode diatas dikenal sebagai indirect method atau metode tidak langsung karena fokus pada deteksi hasil peluruhan WIMP. Metode lain yang dapat menjadi alternatif adalah direct method dengan memasang suatu detektor di bawah tanah. WIMP dengan energi tinggi yang menumbuk detektor dapat menghasilkan cahaya (foton), partikel bermuatan, atau fonon. Dua proyek terkenal direct method adalah DAMA/LIBRA di Italia menggunakan Kristal NaI(TI) dan CoGent di Amerika Serikat menggunakan Kristal Germanium.

Salah satu teori fisika yang dinantikan pembuktiannya adalah SuperSymmetry (SUSY). SUSY meramalkan kehadiran neutralino, partikel yang dipercaya sebagai salah satu model WIMP. Verifikasi SUSY yang diharapkan dapat dilakukan di Large Hadron Collider tidak membuktikan keberadaan WIMP, tetapi dengan konfirmasi dari observasi tak langsung dan detektor di laboratorium bawah tanah mampu memberikan bukti kuat kebenaran WIMP sebagai Dark Matter.

Beberapa metode untuk WIMP telah digagas. Pertanyaannya adalah apa langkah selanjutnya? Jika LHC tidak menemukan apapun tidak berarti ide WIMP sebagai Dark Matter gugur. Tetapi dibutuhkan energi yang lebih tinggi untuk mendeteksi keberadaannya dan pendeteksian secara langsung maupun tidak menjadi lebih sulit. Akibatnya dibutuhkan model baru dari Dark Matter.

Sumber

Bertone, Gianfranco. The Moment of Truth for WIMP Dark Matter. 2010. arXiv.org.